一种可降解薄膜材料、其制备方法及应用与流程

本发明涉及一种复合材料制备技术领域，且特别涉及一种可降解薄膜材料、其制备方法及应用。

背景技术：

丝素蛋白来源丰富、成本低廉，其主要的组成成分为氨基酸，同时它还具有无刺激性、良好的溶氧渗透性和可控的生物降解性，在体外可支持各种细胞黏附、生长和分化；在体内同样具备良好组织相容性。丝素蛋白在组织工程、生物医学、药物缓释和光学影像学领域有着广泛的应用，在近期已被fda批准可用于临床医学。

海藻酸钠作为一种传统的医用生物材料，广泛适用于传统生物材料领域，比如用作伤口敷料、齿科印模以及骨移植替代物，某些产品也已通过fda批准上市。随着再生医学和组织工程新技术的不断发展，海藻酸钠逐渐在细胞固定、载药缓释、组织工程以及可注射凝胶等领域也有广泛应用。它具有良好的亲水性，但是成膜后易溶于水，强度和韧性不佳。

作为具有研究潜力的两种天然高分子，各自单独使用时，都有自身的缺陷，限制了其作为生物材料在组织工程领域的应用。将丝素和海藻酸钠复合，在组成上可仿生细胞外基，利用海藻酸钠优良的亲水性，大大改善了薄膜的吸湿性。

中国发明专利“一种丝素蛋白-海藻酸盐复合膜及其制备方法和应用”(公布号cn106265129a)将丝素和海藻酸钠共混成膜，通过钙离子交联处理，提高薄膜力学性能的主要作用来源于复合薄膜内的两种大分子之间的氢键作用和离子交联，虽然综合提高了薄膜的力学性能，但是其离子交联作用在生理环境下发生离子置换后会影响薄膜的稳定性，限制了其在组织工程方面的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降解薄膜材料的制备方法，方法简便易行，得到的复合薄膜能够较长时间保持形态稳定。

本发明的另一目的在于提供一种可降解薄膜材料，该薄膜材料具有不错的柔韧性和生物相容性，力学性能优良。

本发明的第三目的在于提供上述可降解薄膜材料在医用敷料或体内植入器件的基底材料中的应用。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种可降解薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

丝素水溶液、海藻酸盐水溶液和混合交联剂混合后得到混合溶液，将混合溶液搅拌15-30min，再成膜处理；

优选地，混合交联剂包括n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺。

本发明还提出一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。

本发明还提供了上述可降解薄膜材料在制备医用敷料或体内植入器件的基底材料中的应用。

本发明实施例提供一种可降解薄膜材料的制备方法的有益效果是：该制备方法通过将来源广泛且天然可降解的丝素和海藻酸钠为原料，加入由n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺组成的混合交联剂，通过共价交联制备柔韧且吸湿性好的薄膜材料。该制备方法工艺简单，条件易于控制，具有较好的应用前景。通过上述方法得到的可降解薄膜材料中的大分子形成稳定的共价交联键，有效提高了薄膜的稳定性，同时该薄膜材料具有很好的力学性能，既柔软又坚韧。因此，该可降解薄膜材料可以在生物材料的制备中得到应用，如制备医用敷料或体内植入器件的基底材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明交联反应的原理图；

图2为本发明制备的薄膜材料的实物图及材料内部化学交联键示意图；

图3为本发明对比例、实施例1和实施例3得到的薄膜材料的平面sem图和断面sem图；

图4为实施例1-4得到的薄膜材料的应力应变曲线图；

图5为对比例、实施例1、实施例3和实施例4得到的薄膜材料的热水溶失率测试结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的可降解薄膜材料、其制备方法及应用进行具体说明。

本发明实施例提供的一种可降解薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、丝素水溶液、海藻酸盐水溶液和混合交联剂混合后得到混合溶液。

优选地，混合交联剂包括n-羟基丁二酰亚胺(nhs)、吗啉-乙磺酸(mes)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)。

需要说明的是，未经处理的再生丝素材料由于含有大量的无规卷曲结构而易溶于水，本发明实施例中通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)生物组织的固定，通过edc与分子间的氨基和羧基发生反应，生成新的酰胺键，不会给大分子链段带来新的基团，不会影响丝素和海藻酸钠的分子结构。此外，该反应的副产物几乎无毒，且易溶于水，可在后处理过程中洗涤脱去操作方便。

具体地，在制备混合溶液的过程中包括以下步骤：在搅拌的条件下，将丝素水溶液滴加至海藻酸盐水溶液中得到共混溶液，再向共混溶液中依次加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺。先将溶质丝素水溶液和海藻酸盐水溶液进行混合，在加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺开始搅拌进行交联反应。

具体地，丝素水溶液和海藻酸盐水溶液的质量分数均为1-5％，优选为2-3％；丝素水溶液和海藻酸盐水溶液的体积比为0.3-5.6:1。在交联反应过程中，丝素和海藻酸盐水溶液的浓度不宜过大，特别是海藻酸盐水溶液的浓度过大使混合溶液的粘度过大，会影响成膜效果；但是丝素和海藻酸盐水溶液的浓度过小则会影响成膜的力学性能和稳定性。需要指出的是，丝素水溶液的质量分数是使用干燥法测得，即将丝素水溶液放在干燥箱中，在105℃下完全除去水分得到干态丝素质量。丝素水溶液的质量分数为干态丝素质量与干燥前丝素水溶液质量之比。

进一步地，在混合交联剂中，n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的质量比为0.5-1.5:1-3:2；其中，在混合溶液中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的体积分数为0.3-0.5％。在混合溶液的配置过程中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的用量配合丝素水溶液和海藻酸盐水溶液使整个反应更加完全，吗啉-乙磺酸主要起到缓冲作用，维持整个反应体系的ph，n-羟基丁二酰亚胺起到催化作用，其用量不宜过多。

丝素水溶液的制备过程包括：将天然蚕丝依次经过脱胶、溶解、透析、过滤和浓缩。具体地，脱胶是去除包裹在蚕丝外层的丝胶、蜡脂、色素等，使丝素纤维得到初步精炼；将丝素纤维溶解于三元溶液或者中性盐溶液(这一步是在锥形瓶或者圆底烧瓶中进行，温度控制在70～75℃)，将溶解丝素纤维的盐溶液转移到纤维透析袋中封闭脱盐，温度在5-12℃透析时间大致为70-15h，去除溶解过程中加入的离子和乙醇；最后过滤去除杂质再将溶液浓缩得到丝素水溶液。

具体地，蚕丝纤维的脱胶过程如下：将家蚕丝放入煮沸的0.6g/l的碳酸钠溶液中煮沸脱胶2次，第3次脱胶使用1g/l的碳酸钠溶液，浴比为1:100，然后置于60℃烘箱中烘干得到脱胶后的丝素纤维。edc纯度≥97％，直接购于sigma-aldrich试剂公司。

溶解过程是将脱胶后得到的丝素纤维与cacl2-乙醇-水组成的三元溶液混合，在68-75℃的温度条件下保温0.5-1.5h；其中，三元溶液中，cacl2、乙醇和水的物质的量比为1:1.5-2.5:7-9。在较高温度下，盐离子溶液将丝素纤维发生溶胀解体而溶解，温度过低丝素纤维不易溶解，温度过高则容易破坏丝素纤维的结构。

s2、将混合溶液搅拌15-30min，再成膜处理。

需要说明的是，通过将edc与丝素水溶液(sf)、海藻酸盐(以海藻酸sa为例)水溶液分子间的氨基和羧基发生反应，生成新的酰胺键，具体的交联反应的机理如图1所示。反应第一步：edc与大分子链上的羧基侧链偶合形成一种中间产物酰基异脲；反应第二步：在混合体系中，这种活泼的中间产物会经历两种可能的反应。(i)酰基异脲与sf蛋白质的伯胺基团反应形成酰胺交联，并生成尿素衍生物(图1中的(1)反应)；(ii)酰基异脲与附近的电离化的羧基反应形成酸酐，酸酐再与sf蛋白质的伯胺基团反应形成酰胺交联(图1中的(2)(3)反应)。sf大分子中能参与反应的基团有天冬氨酸、赖氨酸、谷氨酸等。

此外，n-羟基丁二酰亚胺(nhs)的加入可以提高交联效果。当体系的ph值在5～7范围内，反应更容易发生，mes的加入有助于稳定反应体系中的ph值。sa多糖含有羧基及羟基，也可与碳化二亚胺反应生成酯健。经过edc交联反应后，最终在多孔材料总会形成sf与sa大分子相互交联渗透贯穿的稳定大分子结构。那么多孔结构中由于交联体系密度增加和分子链延长从而大大提高了材料的稳定性。

需要指出的是，交联反应的反应时间不宜过长，否则容易导致交联产物的粘度过大导致凝胶，同时会影响产品的成膜效果。

进一步地，将混合溶液搅拌15-30min后成膜处理之前，将混合溶液进行真空脱泡。真空脱泡是将混合溶液置于真空环境中，去除其中的气泡，增加产品的均匀度保证产品的力学性能。

具体地，成膜处理过程是将混合溶液在模具中流延成型后，在50-70℃的温度条件下进行干燥。流延成型后在进行干燥去除其中的水分，得到适于多方面应用的薄膜材料。

本发明实施例还提供了一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。该可降解薄膜材料柔软而坚韧，厚度均匀，具有良好的透气透氧性，其拉伸断裂强度的范围为2.5±0.1～11.8±1.2mpa，断裂伸长率的范围为20.4±5～109.1±7.7％。因此，本发明实施例制备的可降解薄膜材料是极具应用价值的复合材料。

具体地，上述可降解薄膜材料在制备生物材料，如医用敷料或体内植入器件的基底材料中得到应用。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种可降解薄膜材料的制备方法，其包括以下步骤：

首先，将天然蚕丝依次经过脱胶、溶解、透析、过滤和浓缩得到质量分数为5％的丝素水溶液，其中，溶解过程是将脱胶后得到的丝素纤维与cacl2-乙醇-水组成的三元溶液混合，在75℃的温度条件下保温0.5h；三元溶液中，cacl2、乙醇和水的物质的量比为1:2.5:9。

其次，在搅拌的条件下，将质量分数为5％的丝素水溶液滴加至质量分数为5％的海藻酸钠水溶液中得到共混溶液，其中丝素水溶液和海藻酸钠水溶液的体积比为5.6:1。

再次，再向共混溶液中依次加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺得到混合溶液并搅拌30min，其中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺在混合溶液中的体积分数为0.5％，且n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的质量比为1.5:3:2。

最后，将反应后的混合溶液真空脱泡后倒入10×20cm聚四氟乙烯模具中，利用流延法将混合溶液在模具中自然铺展，在70℃烘箱中干燥2.5h，干燥成膜。成膜后用镊子小心将薄膜从模具中剥下，放在干燥器皿中备用。

本实施例还提供了一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。

实施例2

本实施例提供一种可降解薄膜材料的制备方法，其包括以下步骤：

首先，将天然蚕丝依次经过脱胶、溶解、透析、过滤和浓缩得到质量分数为3％的丝素水溶液，其中，溶解过程是将脱胶后得到的丝素纤维与cacl2-乙醇-水组成的三元溶液混合，在70℃的温度条件下保温1h；三元溶液中，cacl2、乙醇和水的物质的量比为1:2:8。

其次，在搅拌的条件下，将质量分数为3％的丝素水溶液滴加至质量分数为3％的海藻酸钠水溶液中得到共混溶液，其中丝素水溶液和海藻酸钠水溶液的体积比为3:1。

再次，再向共混溶液中依次加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺得到混合溶液并搅拌30min，其中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺在混合溶液中的体积分数为0.4％，且n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的质量比为1:2:2。

最后，将反应后的混合溶液真空脱泡后倒入10×20cm聚四氟乙烯模具中，利用流延法将混合溶液在模具中自然铺展，在70℃烘箱中干燥2.5h，干燥成膜。成膜后用镊子小心将薄膜从模具中剥下，放在干燥器皿中备用。

本实施例还提供了一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。

实施例3

本实施例提供一种可降解薄膜材料的制备方法，其包括以下步骤：

首先，将天然蚕丝依次经过脱胶、溶解、透析、过滤和浓缩得到质量分数为2％的丝素水溶液，其中，溶解过程是将脱胶后得到的丝素纤维与cacl2-乙醇-水组成的三元溶液混合，在70℃的温度条件下保温1h；三元溶液中，cacl2、乙醇和水的物质的量比为1:2:8。

其次，在搅拌的条件下，将质量分数为2％的丝素水溶液滴加至质量分数为2％的海藻酸钠水溶液中得到共混溶液，其中丝素水溶液和海藻酸钠水溶液的体积比为1:1。

再次，再向共混溶液中依次加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺得到混合溶液并搅拌30min，其中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺在混合溶液中的体积分数为0.4％，且n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的质量比为1:2:2。

最后，将反应后的混合溶液真空脱泡后倒入10×20cm聚四氟乙烯模具中，利用流延法将混合溶液在模具中自然铺展，在70℃烘箱中干燥2.5h，干燥成膜。成膜后用镊子小心将薄膜从模具中剥下，放在干燥器皿中备用。

本实施例还提供了一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。

实施例4

本实施例提供一种可降解薄膜材料的制备方法，其包括以下步骤：

首先，将天然蚕丝依次经过脱胶、溶解、透析、过滤和浓缩得到质量分数为1％的丝素水溶液，其中，溶解过程是将脱胶后得到的丝素纤维与cacl2-乙醇-水组成的三元溶液混合，在68℃的温度条件下保温1.5h；三元溶液中，cacl2、乙醇和水的物质的量比为1:1.5:7。

其次，在搅拌的条件下，将质量分数为1％的丝素水溶液滴加至质量分数为1％的海藻酸钠水溶液中得到共混溶液，其中丝素水溶液和海藻酸钠水溶液的体积比为0.3:1。

再次，再向共混溶液中依次加入n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺得到混合溶液并搅拌15min，其中1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺在混合溶液中的体积分数为0.3％，且n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的质量比为0.5:1:2。

最后，将混合溶液倒入10×20cm聚四氟乙烯模具中，利用流延法将混合溶液在模具中自然铺展，在50℃烘箱中干燥2.5h，干燥成膜。成膜后用镊子小心将薄膜从模具中剥下，放在干燥器皿中备用。

本实施例还提供了一种可降解薄膜材料，由上述可降解薄膜材料的制备方法制备而得。

对比例1

同实施例2，不同之处在于不添加海藻酸钠。

试验例1

采用常规的方法测试实施例1-4和对比例1中得到薄膜材料的宏观形貌，结果见图2。如图中所示，实施例1-4和对比例1中得到的薄膜厚度均匀，为无色透明的薄膜材料。此外，通过人为测定，本发明实施例中得到的薄膜材料的厚度大概为0.05mm。

试验例2

分别对对比例、实施例1和实施例3得到的薄膜材料进行扫描电镜分析，结果见图3。图中，(a)(d)分别为本发明对比例一制备的交联丝素薄膜的平面sem图和断面sem图；(b)(e)分别为本发明实施例1制备的交联丝素-海藻酸钠薄膜的平面sem图和断面sem图；(e)(f)分别为本发明实施例3制备的交联丝素-海藻酸钠薄膜的平面sem图和断面sem图。

图3中的(b)(e)代表实施案例1制备的薄膜材料，从微观形貌可以看出，共混薄膜材料的平面光滑均匀，无相分离现象，其断面随着海藻酸钠含量的增加，厚度稍有增加，表面光滑度有所下降，但是二者分散均匀，没有明显的结构凹陷和空腔产生。扫描电镜结果显示共混薄膜中的丝素和海藻酸钠相容性良好。

试验例3

将该复合薄膜按照gb/t1040-2006标准制成条状，使用日本岛津ag-ic型拉伸试验机测量拉伸强度和断裂伸长率。试验环境为：温度25℃，湿度为80％，每组试样重复6次，取平均值。实施例1-4制备的复合薄膜的应力应变代表曲线如图4所示，复合薄膜的拉伸强度随着海藻酸钠含量的增加不断增大，最大值为实施例4，其应力值为11.8±1.2mpa，其断裂伸长率先增大后减少，其最大值为109.1±7.7％，所对应的样品为实施例3。化学交联作用和海藻酸钠的加入大大提升了薄膜的延展性，使其断裂伸长率随着sa的增加而大幅度上升，其柔韧性增加。

试验例4

分别测定对比例和实施例1、实施例3和实施例4得到的薄膜材料的热水溶失率，结果见图5。热水溶失率代表了材料在37℃的水浴恒温振荡器中振荡24小时后的质量损失率，其说明材料在水性溶剂中的稳定性。未交联的薄膜材料几乎完全溶于水，无法保持形态稳定性。交联后纯丝素、实施例1和实施例3中的复合薄膜的热水溶失率较低，在20％左右，但实施例4中热水溶失率上升。这可能是由于，海藻酸钠用量的较少时如丝素与海藻酸钠的体积比大于等于1:1时，edc与sa的交联反应较为彻底，形成的共价键教练点多，在水中比较稳定；当sa含量大于丝素时，由于体系中缺乏参与反应的氨基，其反应进行程度明显降低，故表现出很高的溶失率。

研究结果表明，采用edc化学交联方法制备出的丝素-海藻酸钠复合薄膜与纯丝素薄膜相比柔韧性能显著提高，其断裂伸长率大幅度增加。复合薄膜中两种原料无相分离现象，分布均匀，表现为透明无色薄膜。经过edc化学交联作用之后，薄膜材料的稳定性大幅度提高。本发明制备的这类透明柔韧薄膜材料扩展了薄膜材料的应用范围，可应用于医用敷料、体内可植入器件基底材料以及组织修复等领域，具有良好的应用前景。

综上所述，本发明提供的一种可降解薄膜材料的制备方法，该制备方法通过将来源广泛且天然可降解的丝素和海藻酸钠为原料，加入由n-羟基丁二酰亚胺、吗啉-乙磺酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺组成的混合交联剂，通过共价交联制备柔韧且吸湿性好的薄膜材料。该制备方法工艺简单，条件易于控制，具有较好的应用前景。通过上述方法得到的可降解薄膜材料中的大分子形成稳定的共价交联键，有效提高了薄膜的稳定性，同时该薄膜材料具有很好的力学性能，既柔软又坚韧。因此，该可降解薄膜材料可以在生物材料的制备中得到应用，如制备医用敷料或体内植入器件的基底材料。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。